05 JVM执行引擎

1. 执行引擎概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎地结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
在《Java虚拟机规范》中制定了Java虚拟机字节码执行引擎的概念模型，这个概念模型成为各大发行商的Java虚拟机执行引擎的统一外观（Facade）。在不同的虚拟机实现中，执行引擎在执行字节码的时候，通常会有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择，也有可能两者兼备，还可能会有同时包含几个不同级别的即时编译器一起工作的执行引擎。但从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果。

2. 机器码、指令、汇编语言

2.1 机器码

• 使用二进制编码方式表示的指令叫做机器码。一开始人们就用它来编写程序，这就是机器语言。
• 机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人理解和记忆，并且用它变成容易出差错。
• 用它编写的程序一经输入计算机，CPU直接读取运行，因此和其它语言编写的程序相比，执行速度最快。
• 机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类的所对应的机器指令也就不同。

2.2 指令与指令集

指令

• 由于机器码是由0和1组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。
• 指令就是把机器码中特定的0和1序列，简化成对应指令（一般为英文简写，如mov、inc等），可读性稍好
• 由于不同的硬件平台，执行同一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同的硬件平台的同一种指令（比如mov），对应的机器码可能不同。

指令集

• 不同的硬件平台各自支持的指令是有差别的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集。
• 常见的指令集有：
  • x86指令集，对应的是x86架构的平台
  • ARM指令集，对应的是ARM架构的平台

2.3 汇编语言

• 由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。
• 在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址。
• 在不同的硬件平台，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。

2.4 高级语言

• 为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级计算机语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言。
• 当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。

2.5 字节码

• 字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件），它比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码
• 字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境，与硬件环境无关
• 字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将源码编译成字节码，特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。
  • 字节码的典型应用为Java bytecode

3. 解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译地方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。

3.1 解释器概述

3.1.1 解释器工作机制（或工作任务）

• 解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
• 当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

3.1.2 解释器分类

在Java的发展历史中，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。

• 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。
• 模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程序上提高了解释器的性能。

  在HotSpot VM中，解释器主要有Interpreter模块和Code模块构成

  • Interpreter模块：实现了解释器的核心功能
  • Code模块：用于管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令

4. JIT编译器

4.1 Java代码的执行分类

• 第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行
• 第二种是编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT，Just In Time）将方法编译成机器码后执行

HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，计时器和即时编译器能够弧线协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。

既然已经存在JIT编译器，为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢？
首先明确：当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间，但编译为本地代码后，执行效率更高。
所以：尽管完全使用JIT编译器的程序的执行性能会非常高效，但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说，启动时间并非是关注重点，但对于那些看重启动时间的应用场景而言，或许就需要采用该解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。
在此模式下，当Java虚拟机启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，即时编译器发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。
同时，解释执行在即时编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。

JIT案例

4.2 分类

前端编译器

前端编译器将.java文件转变为.class文件。如Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）。

即时编译器

后端运行期编译器（Just In Time Compiler），把字节码转变为机器码。如HotSpot VM的C1、C2编译器。

提前编译器

静态提前编译器（Ahead Of Time Compiler），直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。如GNU Compiler for the Java (GCJ)、Excelsior JET。

4.3 热点代码及探测方式

是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令，需要根据代码被调用执行的频率而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为“热点代码”，JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”作出深度优化，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，以此提升Java程序的执行性能。

• 一个被多次调用的方法，或者一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称为“热点代码”，因此都可以通过JIT编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR（On Stack Replacement）编译。
• 一个方法究竟要被调用多少次，或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到“热点代码”的标准？必然需要一个明确的阈值，JIT编译器将超过这个阈值的“热点代码”编译为本地机器指令执行。主要依靠热点探测功能。
• 目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。
• 采用计数器的热点探测，HotSpot VM将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。

  • 方法调用计数器用于统计方法的调用次数
  • 回边计数器用于统计循环体执行的循环次数

• 这个计数器就用于统计方法内被调用的次数，它的默认阈值在Client模式下是1500次，在Sever模式下是10000次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。
• 阈值可以通过虚拟机参数-XX:CompileThredshold来人为设定。
• 当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被JIT编译过的版本，如果存在，则优先使用编译后的本地代码来执行。如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器值加1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。

热度衰减

• 如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减（Counter Decay），而这段时间就称为此方法统计的半衰周期（Counter Half Life Time）。
• 进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数-XX:-UseCounterDecay来关闭热度衰减，让方法计数器统计方法调用的绝对次数。这样，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。
• 另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

回边计数器

它的作用是统计一个方法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”（Back Edge）。

5. HotSpot VM可以设置程序执行的方式

缺省情况下HotSpot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是采用哪种方式来执行程序，如下所示：

• -Xin：完全采用解释器模式执行程序。
• -Xcomp：完全采用即时编译器模式执行程序。如果即时编译出现问题，解释器会介入执行。
• -Xmixed：采用解释器+即时编译器地混合模式共同执行程序。

6. HotSpot VM中JIT分类

在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器，分别为Client Compiler和Server Compiler，但大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。开发人员可以通过如下命令显式指定Java虚拟机在运行时到底使用哪一种即时编译器，如下所示：

• -client：指定Java虚拟机运行在Client模式下，并使用C1编译器；

  C1编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短。以达到更快地编译速度。

• -server：指定Java虚拟机运行在Server模式下，并使用C2编译器。

  C2进行耗时较长的优化，以及激进优化。但优化后的代码执行效率更高。

64位的JVM默认只支持server编译器。

6.1 C1和C2编译器不同的优化策略

JVM在不同的编译器上有不同的优化策略。

• C1编译器上主要有方法内联，去虚拟化、冗余消除。

  • 方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，这样可以减少栈帧的生成，减少参数传递以及跳转过程
  • 去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
  • 冗余消除：在运行期把一些不会执行的代码折叠掉

• C2的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化：

  • 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
  • 栈上分配：对于未逃逸的对象分配在栈上而不是堆
  • 同步消除：清除同步操作，通常指synchronized

6.2 分层编译策略

分层编译（Tiered Compilation）策略：程序解释执行（不开启性能监控）可以触发C1编译，将字节码编译成机器码，可以进行简单优化，也可以加上性能监控，C2编译会根据性能监控信息进行激进优化。
不过在Java7版本之后，一旦开发人员在程序中显式指定命令-server时，默认将会开启分层编译策略，由C1编译器和C2编译器相互协作共同来执行编译任务。

6.3 总结

• 一般来讲，JIT编译出来的机器码性能比解释器高。
• C2编译器启动时长比C1编译器慢，系统稳定执行后，C2编译器执行速度远远快于C1编译器。

6.4 其它编译器

Graal编译器

• 自JDK10起，HotSpot又加入一个全新的即时编译器：Graal编译器。
• 编译效果短短几年时间就追平了C2编译器，未来可期。
• 目前，带着“实验状态”标签，需要开关参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler去激活，才可以使用。

AOT编译器

• JDK9引入了AOT编译器（静态提前编译器，Ahead Of Time Compiler）
• Java 9 引入了实验性AOT编译工具jaotc。它借助了Graal编译器，将所输入的Java类文件转换为机器码，并存放至生成的动态共享库之中。
• 所谓AOT编译，是与即时编译相对立的一个概念。我们知道，即时编译指的是在程序的运行过程中，将字节码转换为可在硬件上直接运行的机器码。而AOT编译指的是，在程序运行之前，便将字节码转换为机器码的过程。
• 最大好处：Java虚拟机加载已经预编译成二进制库，可以直接执行。不必等待即时编译器的预热，减少Java应用给人带来“第一次运行慢”的不良体验。
• 缺点：

  • 破坏了Java“一次编译，到处运行”，必须为每个不同硬件、OS编译对应的发行包
  • 降低了Java链接过程的动态性，加载的代码在编译器就必须全部已知
  • 还需要继续优化中，最初只支持Linux x64 java base